Irkutsk State University
Irkutsk, Russian Federation
Parizh, France
Kamchatka State Technical University
Paratunka, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
Using data of worldwide network of GPS receivers we investigated losses of GPS phase lock (LoL) during two strong magnetic storms. At fundamental L1 frequency, LoL density is found to increase up to 0.25 % and at L2 frequency the increase is up to 3 %. This is several times as much compared with the background level. During the 2003 November 20 magnetic storm, the number of total electron content (TEC) slips exceeded the background level ~50 times. During superstorms, the most number of GPS LoL is observed at low and high latitudes. At the same time, the area of numerous TEC slips correspond to auroral oval boundaries.
magnetic storm, GPS, loss of phase lock, TEC slips, auroral oval
ВВЕДЕНИЕ
Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) предоставили широкие возможности для решения задач позиционирования по всему земному шару [Hofmann-Wellenhof etal., 1992], а также задач мониторинга ионосферной плазмы в глобальном масштабе [Афраймович, Перевалова, 2006; Afraimovich etal., 2013]. Во время магнитных бурь ионосфера претерпевает существенные изменения. Отдельные явления, называемые супербурями, приводят к качественному изменению глобальной динамики ионосферной плазмы: может наблюдаться развитие суперфонтан-эффекта, при котором значения полного электронного содержания (ПЭС) в гребнях экваториальной аномалии достигают 180–200 TECU, а также регистрируется значительное смещение гребней экваториальной аномалии на 10–15° от положения в спокойных условиях [Tsurutani etal., 2004; Mannucci et al., 2005;Astafyevaetal., 2007; Astafyeva, 2009a, b].
Ионосферные эффекты во время сильных бурь могут приводить к нарушению работы радиотехнических систем, в том числе и ГНСС. Мерцания амплитуды навигационного сигнала вследствие рассеяния на мелкомасштабных неоднородностях, а также мерцания фазы могут приводить к срыву сопровождения фазы сигнала и невозможности осуществлять оценку радиофизических параметров сигнала. Наиболее существенно на параметры сигнала влияют неоднородности размером порядка первой зоны Френеля [Yeh, Liu, 1982; Pietal., 1997], для частот GPS (1.227 и 1.575 ГГц) это 150–300 м (для неоднородностей, расположенных на высотах E- и F-областей) [Yeh, Liu, 1982; Pietal., 1997; Afraimovichetal., 2009].
Опубликовано большое количество работ, посвященных устойчивости GPS во время геомагнитных возмущений [Skone, deJong, 2000, 2001; Dohertyetal., 2001; Afraimovichetal., 2002, 2003, 2011; Ledvinaetal., 2002; Jakowskietal., 2005, 2007; Basuetal., 2008; RamaRaoetal., 2009; Bergeotetal., 2011; Pi et al., 2011, 2013]. При этом в литературе практически не исследуются ни зависимость этих эффектов от интенсивности бури, ни пространственные особенности таких эффектов в глобальном масштабе.
В настоящей статье рассматриваются фазовые сбои GPS во время двух бурь: 15 мая 2005 г. и 20 ноября 2003 г. Буря 20 ноября 2003 г. является одной из супербурь 23-го цикла солнечной активности. Для бури 15 мая отсутствуют уверенные свидетельства в пользу того, что данное событие является супербурей, например смещение гребней экваториальной аномалии или значительное увеличение электронной концентрации в дневной ионосфере [Astafyeva, 2009a; Abreuetal., 2010].
Целью настоящей работы является анализ пространственного распределения срывов сопровождения фазы и сбоев измерения ПЭС во время указанных магнитных бурь.
1. Abreu A.J. de, Fagundes P.R., Sahai Y., de Jesus R., Bittencourt J.A., Brunini C., et al. Hemispheric asymmetries in the ionospheric response observed in the American sector during an intense geomagnetic storm. J. Geophys. Res. 2010, vol. 115, A12312. DOI:https://doi.org/10.1029/2010JA015661.
2. Abreu A.J. de, Sahai Y., Fagundes P.R., de Jesus R., Bittencourt J.A., Pillat V.G. An investigation of ionospheric F region response in the Brazilian sector to the super geomagnetic storm of May 2005. Adv. Space Res. 2011, vol. 48, no. 7. pp. 1211-1220. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2011.05.036.
3. Afraimovich E.L., Perevalova N.P. GPS monitoring of the Earth’s upper atmosphere.Irkutsk, 2006.479 p. (in Russian).
4. Afraimovich E.L., Lesyuta O.S., Ushakov I.I., Voyeikov S.V. Geomagnetic storms and the occurrence of phase slips in the reception of GPS signals. Ann. Geophys. 2002, vol. 45, no. 1, pp. 55-71.
5. Afraimovich E.L., Demyanov V.V., Kondakova T.N. Degradation of performance of the navigation GPS system in geomagnetically disturbed condition. GPS Solutions.2003, vol. 7, iss. 2, pp. 109-119.
6. Afraimovich E.L., Astafyeva E.I., Demyanov V.V., Gamayunov I.F. Mid-latitude amplitude scintillation of GPS signals and GPS performance slips. Adv. Space Res. 2009, vol. 43, no. 6, pp. 964-972. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2008.09.015.
7. Afraimovich E.L., Astafyeva E.I., Kosogorov E.A., Yasyukevich Y.V. The mid-latitude field-aligned disturbances and their effects on differential GPS and VLBI. Adv. Space Res. 2011, vol. 47, no. 10, pp. 1804-1813. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2010. 06.030.
8. Afraimovich E.L., Astafyeva E.I., Demyanov V.V., Edemskiy I.K., Gavrilyuk N.S., Ishin A.B., Kosogorov E.A., Leonovich L.A., Lesyuta O.S., Palamartchouk K.S., Perevalova N.P., Polyakova A.S., Smolkov G.Y., Voeykov S.V., Yasyukevich Yu.V., Zhivetiev I.V. A review of GPS/ GLONASS studies of the ionospheric response to natural and anthropogenic processes and phenomena. J. Space Weather Space Clim. 2013, vol. 3, A27.
9. Astafyeva E. Effects of strong IMF Bz southward events on the equatorial and mid-latitude ionosphere. Ann. Geophys. 2009a, vol. 27, pp. 1175-1187.
10. Astafyeva E.I. Dayside ionospheric uplift during strong geomagnetic storms as detected by the CHAMP, SAC-C, TOPEX and Jason-1 satellites. Adv. Space Res. 2009b, vol. 43, pp. 1749-1756. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2008.09.036.
11. Astafyeva E.I., Afraimovich E.L., Kosogorov E.A. Dynamics of total electron content distribution during strong geomagnetic storms. Adv. Space Res. 2007, vol. 39, pp. 1313-1317. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2007.03.006.
12. Astafyeva E.I., Afraimovich E.L., Voeykov S.V. Generation of secondary waves due to intensive large-scale AGW traveling. Adv. Space Res. 2008, vol. 41, no. 9, pp. 1459-1462. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2007.03.059.
13. Basu S., Basu S., Rich F.J., et al. Response of the equatorial ionosphere at dusk to penetration electric fields during intense magnetic storms. J. Geophys. Res. 2007, vol. 112, A08308. DOI:https://doi.org/10.1029/2006JA012192.
14. Basu S., Basu S., Makela J.J., MacKenzie E., Doherty P., Wright J.W., Rich F., Keskinen M.J., Sheehan R.E., Coster A.J. Large magnetic storm-induced nighttime ionospheric flows at mid-latitudes and their impacts on GPS-based navigation systems. J. Geophys. Res. 2008, vol. 113, A00A06. DOI: 10.1029/ 2008JA013076.
15. Bergeot N., Bruyninx C., Defraigne P., Pireaux S., Legrand J., Pottiaux E., Baire Q. Impact of the Halloween 2003 ionospheric storms on kinematic GPS positioning in Europe. GPS Solutions. 2011, vol. 15, pp. 171-180. DOI:https://doi.org/10.1007/s10291-010-0181-9.
16. Dashora N., Sharma S., Dabas R.S., Alex S., Pandey R. Large enhancements in low latitude total electron content during 15 May 2005 geomagnetic storm in Indian zone. Ann. Geophys. 2009, vol. 27, pp. 1803-1820. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-27-1803-2009.
17. Doherty P.H., Delay S.H., Valladares C. E., Klobuchar J.A. Ionospheric scintillation effects in the equatorial and auroral regions. Proc. of International Beacon Satellite Symposium, June 4-6, 2001, pp. 328-333.
18. Dow J.M., Neilan R.E., Rizos C. The International GNSS Service in a changing landscape of Global Navigation Satellite Systems. Journal of Geodesy. 2009, vol. 83, no. 3-4, pp. 191-198. DOI:https://doi.org/10.1007/s00190-008-0300-3.
19. Foster J.C., Rideout W. Mid-latitude TEC enhancements during the October 2005 superstorm. Geophys. Res. Lett. 2005, vol. 32, L12S04. DOI:https://doi.org/10.1029/2004GL021719.
20. Gurtner W., Estey L. RINEX: The Receiver Independent Exchange Format Version 2.11. 2012. Available at: ftp://igscb.jpl.nasa.gov/pub/data/format/(accessed June 6, 2015).
21. Hofmann-Wellenhof B., Lichtenegger H., Collins J. Global Posit-Verlag, 1992, 327 p.
22. Jakowski N., Stankov S.M., Klaehn D. Operational space weather service for GNSS precise positioning. Ann. Geophys. 2005, vol. 23, pp. 3071-3079.
23. Jakowski N., Mayer C., Wilken V., Borries C. Ionospheric storms at high and mid-latitudes monitored by ground and space based GPS techniques. Proc. of the International Beacon Satellite Symposium, June 11-15, 2007. 1 CD.
24. Kunitsyn V.E., Tereshchenko E.D., Andreeva E.S. Ionospheric Radio Tomography. Moscow, Nauka Publ., 2007. 335 p. (in Russian).
25. Ledvina B.M., Makela J.J., Kintner P.M. First observations of intense GPS L1 amplitude scintillations at mid-latitudes.Geophys. Res. Lett. 2002, vol. 29, no. 14, p. 1659. DOI: 10.1029/ 2002GL014770.
26. Mannucci A.J., Tsurutani B.T., Iijima B.A., et al. Dayside global ionospheric response to the major interplanetary events of October 29-30, 2003 “Halloween Storms”. Geophys. Res. Lett. 2005, vol. 32, L12S02. DOI:https://doi.org/10.1029/2004GL021467.
27. Mannucci A.J., Tsurutani B.T., Abdu M.A., Gonzalez W.D., Komjathy A., Echer E., Iijima B. A., Crowley G., Anderson D. Superposed epoch analysis of the dayside ionospheric response to four intense geomagnetic storms. J. Geophys. Res. 2008, vol. 113, A00A02. DOI:https://doi.org/10.1029/2007JA012732.
28. Mannucci A.J., Crowley G., Tsurutani B.T., Verkhoglyadova O.P., Komjathy A., Stephens P. Interplanetary magnetic field by control of prompt total electron content increases during superstorms. J. Atm. Solar-Terr. Phys. 2014, vol. 115-116, pp. 7-16. DOI: 10.106/j.jastp.2014.01.001.
29. Nishioka M., Saito A., Tsugawa T. Super-medium-scale traveling ionospheric disturbance observed at mid-latitude during the geomagnetic storm on 10 November 2004. J. Geophys. Res. 2009, vol. 114, A07310. DOI:https://doi.org/10.1029/2008JA013581.
30. Ngwira C.M., McKinnell L.-A., Cilliers P.J., Yizangaw E. An investigation of ionospheric disturbances over South Africa during the magnetic storm on 15 May 2005. Adv. Space Res. 2012, vol. 49, no. 2, pp. 327-335. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2011. 09.035.
31. Pi X., Mannucci A.J., Lindqwister U.J., Ho C.M. Monitoring of global ionospheric irregularities using the worldwide GPS network.Geophys. Res. Lett. 1997, vol. 24, no. 18, pp. 2283-2286. DOI:https://doi.org/10.1029/97GL02273.
32. Pi X., Freeman A., Chapman B., Rosen P., Li Z. Imaging ionospheric inhomogeneities using spaceborne synthetic aperture radar. J. Geophys. Res. 2011, vol. 116, A04303. DOI: 10.1029/ 2010JA016267.
33. Pi X., Mannucci A.J., Valant-Spraight B., Bar-Sever Y., Romans L.J., Skone S., Sparks L., Martin Hall G. Observations of global and regional ionospheric irregularities and scintillations using GNSS tracking networks.Proc. ION Pacific PNT Conference. 22-25 April 2013, pp. 752-761.
34. Rama Rao P.V.S., Gopi Krishna S., Vara Prasad J., Prasad S.N.V.S., Prasad D.S.V.V.D., Niranjan K. Geomagnetic storm effects on GPS based navigation. Ann. Geophys. 2009, vol. 27, pp. 2101-2110.
35. Skone S., de Jong M. The impact of geomagnetic substorms on GPS receiver performance.Earth Planets Space. 2000, vol. 52, pp. 1067-1071.
36. Skone S., de Jong M. Limitations in GPS receiver tracking performance under ionospheric scintillations. Phys. Chem. Earth. Part A. 2001, vol. 26, iss. 6-8, pp. 613-621.
37. Tsurutani B., Mannucci A., Iijima B., Abdu M.A., Sobral J.H.A., Gonzalez W., Guarneri F., Tsuda T., et al. Global dayside ionospheric uplift and enhancement associated with interplanetary electric fields. J. Geophys. Res. 2004, vol. 109, A08302.
38. Yeh K.C., Liu C.H. Radio wave scintillations in the ionosphere. Proc. IEEE. 1982, vol. 70, pp. 324-360.
39. Zhao B., Wan W., Tschu K., Igarashi K., Kikuchi T., Nozaki K. Ionosphere disturbances observed throughout South-East Asia of the superstorm of 20-22 November 2003. J. Geophys. Res. 2008, vol. 113, A00A04, DOI: 10.1029/ 2008JA013054.
40. URL: http://sd-www.jhuapl.edu/Aurora/ovation/ (accessed June 6, 2015).
